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Landwirtschaft prägt mikrobielle Gemeinschaften – und damit Überdüngung und Treibhausgasemissionen
Ein internationales Forschungsteam unter Federführung der Universität Aalborg (Dänemark) mit Beteiligung der Universität Wien hat erstmals das Mikrobiom eines ganzen Landes systematisch erfasst. In der renommierten Fachzeitschrift Nature erschienenen Studie "Microflora Danica" wurden über 10.000 Umweltproben aus ganz Dänemark analysiert – im Mittel etwa eine Probe pro vier Quadratkilometer. Das Ergebnis ist ein Atlas der dänischen Umweltmikrobiome mit bislang unerreichter räumlicher Auflösung und funktioneller Tiefe. Michael Wagner, Daan Speth und Andrew Giguere vom Zentrum für Mikrobiologie und Umweltsystemwissenschaften der Universität Wien waren maßgeblich an der Auswertung der Nitrifikanten, also Bakterien und Archaeen die wesentlich am globalen Stickstoffkreislauf sind, beteiligt.
Nitrifikanten im Fokus: Häufig – aber die wichtigsten noch unerforscht
Die Nitrifikanten in den mikrobiellen Bodenmikrobiomen bestimmen, wie lange reaktiver Stickstoff aus Düngemitteln für die Pflanzen verfügbar bleibt bzw. wann dieser in umweltschädliche Formen übergeht, die in die Atmosphäre bzw. die Gewässer gelangen. Die aktuelle Studie zeigt erstmals landesweite Häufigkeitsverteilungen dieser Organismen und offenbart Überraschendes: Zwei besonders verbreitete Linien – TA-21 innerhalb der Ammoniak-oxidierenden Archaeen (AOA) sowie Comammox-Nitrospira Clade B – besitzen bis heute keinen Vertreter, der mit den zur Verfügung stehenden Methoden im Labor anzüchtbar ist. Sie können darum nicht direkt experimentell untersucht werden, obwohl sie weite Teile landwirtschaftlicher und natürlicher Böden dominieren. Zudem fanden die Forschenden starke Hinweise auf weit verbreitete, bislang unbekannte und ebenfalls noch nicht kultivierte Gruppen Nitrit-oxidierender Bakterien.
Warum das zählt: Dünger, Gewässer und Lachgas
Dänemark ist stark agrarisch geprägt (rund zwei Drittel der Fläche werden landwirtschaftlich genutzt). Der weitverbreitete Einsatz von Stickstoffdüngern führt dazu, dass große Mengen reaktiven Stickstoffs in die Umwelt gelangen – mit direkten Folgen für Grundwasser, Küstengewässer und das Klima. In landwirtschaftlichen Böden beeinflussen Nitrifikanten, wie viel Düngemittel-Stickstoff im System bleibt – und wie viel als Nitrat in Gewässer gelangt oder als Lachgas (N₂O) in die Atmosphäre entweicht. Die Überdüngung der Gewässer führt zu Algenblüten und Todeszonen in den Meeren und Lachgas ist ein starkes Treibhausgas und trägt zudem zum Ozonabbau bei. Unterschiedliche Nitrifikanten produzieren unterschiedlich viel N₂O und reagieren verschieden auf Nitrifikationsinhibitoren, die in vielen Ländern zur Begrenzung von Düngerverlusten eingesetzt werden. "Zu wissen, welche Nitrifikanten wo und wie häufig vorkommen, ist daher zentral für eine wirksame und nachhaltige Landwirtschaft", betonen die Wiener Forscher.
Anthropogener Einfluss im Mikrobiom ablesbar
Die Studie dokumentiert auch, dass der Grad menschlicher Nutzung – etwa intensive Bewirtschaftung – sich deutlich in den mikrobiellen Profilen widerspiegelt. Gestörte Lebensräume zeigen zwar lokal hohe Vielfalt, sind aber landesweit stärker homogenisiert. Natürliche Habitate bewahren dagegen mehr Gesamtvielfalt. Diese "mikrobiellen Fingerabdrücke" könnten künftig genutzt werden, um den Erfolg von Renaturierungsprojekten auch aus mikrobieller Perspektive zu bewerten.
Relevanz für Österreich
"Unsere Ergebnisse zeigen, dass Mikroorganismen sensibel auf Landnutzung und Umweltveränderungen reagieren und zugleich zentrale Steuergrößen biogeochemischer Prozesse sind", betont der Studienautor Michael Wagner von der Universität Wien, der auch Direktor des FWF-Exzellenzclusters Microbiomes drive Planetary Health ist. "Wenn wir landwirtschaftliche Systeme nachhaltiger gestalten und den Klimaschutz ernst nehmen, müssen wir das Mikrobiom systematisch mitdenken – sowohl in der Forschung als auch in der Praxis."
Auch Österreich steht vor ähnlichen Herausforderungen wie Dänemark: In beiden Ländern prägen Landwirtschaft, Nährstoffeinträge und Gewässerschutz die Umweltpolitik. Die dänischen Ergebnisse sind daher ein Modellfall für vergleichbare Analysen in Österreich – von der Optimierung des Düngemitteleinsatzes bis zur Abschätzung von Treibhausgasemissionen aus Böden. "Ein nationaler Mikrobiom-Atlas eröffnet neue Wege, Landwirtschaft und Naturschutz datenbasiert zu verbinden", so Michael Wagner.
Über die Studie
"Microflora Danica – the atlas of Danish environmental microbiomes" basiert auf 10.683 Metagenomen sowie ergänzenden rRNA-Datensätzen und verknüpft Sequenzen mit einer fünfstufigen Habitat-Ontologie. Schwerpunkte sind neben Biodiversität insbesondere funktionelle Gruppen wie die Nitrifikanten, die für Klima- und Wasserqualität entscheidend sind.
Über die Universität Wien:
Die Universität Wien setzt seit über 650 Jahren Maßstäbe in Bildung, Forschung und Innovation. Heute ist sie unter den Top 100 und damit den Top 4 Prozent aller Universitäten weltweit gerankt sowie in aller Welt vernetzt. Mit über 180 Studien und mehr als 10.000 Mitarbeitenden ist sie einer der größten Wissenschaftsstandorte Europas. Hier treffen Menschen aus unterschiedlichsten Disziplinen zusammen, um Spitzenforschung zu betreiben und Lösungen für aktuelle und künftige Herausforderungen zu finden. Ihre Studierenden und Absolvent*innen gehen mit Innovationsgeist und Neugierde komplexe Herausforderungen mit reflektierten und nachhaltigen Lösungen an.
Univ.-Prof. Mag. Dr. Michael Wagner
Department für Mikrobiologie und Ökosystemforschung
Universität Wien
1030 Wien, Djerassiplatz 1
T +43-1-4277-91200
michael.wagner@univie.ac.at
http://www.microbial-ecology.net/wagner
C. M. Singleton, T. B. N. Jensen, F. Delogu, K. S. Knudsen, E. A. Sørensen, V. R. Jørgensen, S. M. Karst, Y. Yang, M. Sereika, F. Petriglieri, S. Knutsson, S. M. Dall, R. H. Kirkegaard, J. M. Kristensen, C. K. Overgaard, B. J. Woodcroft, D. R. Speth, S. T. N. Aroney, The Microflora Danica Consortium, M. Wagner, M. K. D. Dueholm, P. H. Nielsen & M. Albertsen: The Microflora Danica atlas of Danish environmental microbiomes.In: Nature. 2025
DOI: 10.1038/s41586-025-09794-2
https://www.nature.com/articles/s41586-025-09794-2
https://www.nature.com/articles/s41586-025-09794-2
Criteria of this press release:
Journalists, Scientists and scholars
Biology, Environment / ecology, Oceanology / climate, Zoology / agricultural and forest sciences
transregional, national
Research results, Transfer of Science or Research
German
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